Uso de trilhos ferroviários como solução para fundação ... compressão, e de flexão; além de trabalharem cargas horizontais e cargas combinadas. ... Sapatas superficiais e cortina

Uso de trilhos ferroviários como solução para fundação profunda de edifício residencial em

Garibaldi / RS dezembro/2015

ISSN 2179-5568 – Revista Especialize On-line IPOG - Goiânia - Edição nº 10 Vol. 01/ 2015

dezembro/2015

Uso de trilhos ferroviários como solução para fundação

profunda de edifício residencial em Garibaldi / RS

Bruno Spader - [email protected]

MBA em Projeto, Execução e Controle de Estruturas e Fundações

Instituto de Pós-Graduação - IPOG

Porto Alegre, RS, 22 de abril de 2015

Resumo

Os trilhos utilizados na confecção de malhas ferroviárias podem ser boas alternativas

como uso de estacas metálicas na execução de fundações profundas de edifícios.

Segundo a norma brasileira da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)

NBR 6122:2010 – Projeto e Execução de Fundações, o uso de trilhos ferroviários é

aceito para execução de fundações profundas conforme item C.2 do Anexo C, página

41. A mudança de sua função original não compromete o seu pleno funcionamento

como estaca, e alguns cuidados e ensaios são observados para a eficiencia continua

desse tipo de instrumento.

Dentre algumas vantagens na utilização de trilhos em relação aos perfis normalmente

utlizados (W, I ou H) pode-se destacar a menor custo financeiro entre os dois

investimentos a serem feitos. Por outro lado, se essa prática de fundações for

comparada, por exemplo, com a cravação de estacas pré-moldadas de concreto armado

protendido ou centrifugado, trazem a vantagem de possibilitar cortes ou emendas, o

que diminui consideravelmente as perdas.

Dito isso, busca-se por meio deste trabalho, apresentar o estudo de caso de uma obra

em que o uso de trilhos ferroviários tornou-se a melhor alternativa para a execução das

fundações de um edifício residencial, levando em consideração aspectos financeiros,

topográficos, logísticos e tempo de execução.

Para tanto, são realizados estudos e pesquisas bibliográficas, de forma a trazer

embasamento teórico às decisões tomadas.

O principal objetivo deste trabalho é difundir o uso de trilhos ferroviários como

alternativa para execução de fundações profundas nas mais diversas situações de obra.

Palavras-chave: fundações profundas, estacas metálicas, trilhos ferroviários.

1. Introdução

Na construção de qualquer tipo de obra, principalmente aquelas que requerem

fundações profundas e as que apresentam condições adversas na interação com o solo,

as estacas metálicas constituem-se em excelente solução.

O processo de cravação é fácil, rápido e extremamente eficiente. A logística

também é um aspecto altamente favorável, considerando-se que as peças são leves e tem

comprimentos padrão, facilitando seu armazenamento.

As estacas metálicas podem ter comprimentos consideráveis, adequando-se de

uma maneira geral à variabilidade dos tipos de solo.




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As estacas metálicas tem aplicação destacada como elementos de fundação, na

construção de estruturas industriais, edifícios, pontes, portos e viadutos. Também estão

presentes nas estruturas de contenção, tendo inúmeras vantagens, tais como fácil

cravação, alta resistência, versatilidade na formação de paredes de contenção e

integração com elementos construtivos complementares.

2. Estacas metálicas

As estacas metálicas enquadram-se na categoria das estacas de deslocamento,

caracterizadas por sua introdução no terreno através de processo que não promova a

retirada de solo. Produzidas industrialmente, são constituídas por peças de aço laminado

ou soldado tais como perfis de seção I e H, chapas dobradas de seção circular (tubos),

quadrada e retangular, bem como os trilhos, estes geralmente reaproveitados após sua

remoção de linhas férreas, quando perdem sua utilização por desgaste. Tanto os perfis

quanto os trilhos podem ser empregados como estacas em sua forma simples ou como

composição paralela de vários elementos.

Embora seja relativamente elevado o custo das estacas metálicas comparado com

de outros tipos de estaca, em várias situações a utilização das mesmas se torna

economicamente viável, pois podem atender a várias fases de construção da obra além

de permitir uma cravação fácil, provida de baixa vibração, trabalhando bem à flexão e

não tendo maiores problemas quanto à manipulação, transporte, emendas ou cortes.

A cravação das estacas pode ser feita por percussão, prensagem ou vibração. A

escolha do equipamento deve ser feita de acordo com o tipo, dimensão da estaca,

características do solo, condições de vizinhança, características do projeto e

peculiaridades do local.

2.1. Vantagens no uso de estacas metálicas

- Inexistência de vibração quando se implantam os perfis por meio de percussão ou por

técnicas modernas tais como a perfuração com equipamentos de hélice contínua. Nesse

caso, substituem-se com muita vantagem as gaiolas de armação por uma peça estrutural

de aço, tendo como resultado a consequente diminuição de mão-de-obra e agilização

dos serviços;

- Possibilidade de cravação em solos de difícil transposição, sem o inconveniente do

levantamento de estacas vizinhas já cravadas (como ocorre em estacas pré-moldadas de

concreto e Franki) e sem perdas de estacas quebradas;

- Resistência a esforços elevados de tração, na mesma grandeza de cargas de

compressão, e de flexão; além de trabalharem cargas horizontais e cargas combinadas.

- Possibilita o tratamento para reduzir o efeito do “atrito negativo”;

- Disponibilidade no mercado de grande número de bitolas possibilitando a otimização

entre as cargas atuantes e as cargas resistentes;

- Maior facilidade de manuseio e armazenamento devido ao menor peso e volume das

peças quando comparados com os elementos pré-moldados de concreto;

- Redução das perdas devido à inexistência de quebras (maior limite de plasticidade do

que estacas de concreto);

- Facilidade de emenda (através da solda nos topos) e corte;

- Podem ser reaproveitadas (possibilita utilização em estruturas temporárias);




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- Provocam pequeno deslocamento do solo (perturbação do solo durante a cravação é

pequena).

2.2. Desvantagens

- Alto custo quando comparada às estacas pré-moldadas, estacas Franki e estacas

Strauss;

- Atacável por águas agressivas e solos corrosivos (pântanos, pontos alcalinos, solos

contaminados);

- Para fabricação exige maquinário específico, a distância entre fabricação e destino

pode acarretar custos altos;

3. Estudo de caso

3.1. Descrição da obra e localização

A obra objeto do estudo de caso está situada na Rua Luiz Rogério Casacurta nº

755, na cidade de Garibaldi / Rio Grande do Sul.

Trata-se de um edifício residencial de alto padrão, denominado Edifício Villa

Lobos, com área construída prevista de 5.087,00 m² divididos em 9 pavimentos. Destes,

6 pavimentos destinados a apartamentos e 3 pavimentos destinados as garagens.

Figura 1 – Maquete eletrônica do empreendimento

A obra foi iniciada em dezembro de 2014 e tem previsão de término em

dezembro de 2017. Atualmente, encontra-se em execução os serviços de fundações

diretas (sapatas), fundações profundas (estacas metálicas) e contenções das paredes de

divisa.




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Figura 2 – Sapatas superficiais e cortina de concreto armado para contenção

Figura 3 – Início da cravação de estacas metálicas

3.2. Características do solo

O terreno em que se encontra a obra faz parte da malha urbana da cidade de

Garibaldi, com uso predominantemente residencial, hoteleiro e educacional.




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A região apresenta topografia irregular, porém o lote destinado ao

empreendimento era plano, não havendo necessidade de grandes volumes de

movimentação de terra (aterro e bota-fora) ou detonação de rochas.

O solo da região caracteriza-se por apresentar alterações e formações de rochas

basálticas. A figura 4 mostra um perfil de sondagem do terreno extraído no local.

Figura 4 – Perfil de sondagem de um dos furos executados




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4. Procedimentos metodológicos

4.1. Fundações profundas (estacas metálicas) x fundações superficiais (sapatas)

Inicialmente a construtora tinha planejado a execução de todas as fundações da

obra em sapatas de concreto armado (fundação superficial). Como não há obras de

edifícios de grande porte no entorno do lote, a sondagem foi de suma importância a fim

de caracterizar o solo para execução das fundações.

Após recebido o laudo de sondagem, notou-se que na localização de algumas

sapatas a profundidade da camada de solo com resistência ideal era demasiadamente

profunda, inviabilizando a procedimento de fundações superficiais, já que o perigo de

desabamento das paredes laterais do solo seria alto, podendo colocar em risco a

segurança de seus empregados.

Dentre as soluções apresentadas para fundações profundas, duas delas eram

viáveis: a execução de estacas tipo RAIZ e a execução de estacas tipo METÁLICAS

com o uso de trilhos ferroviários provenientes de reaproveitamento.

Para escolha do melhor método de execução, foram observados fatores

importantes como: tempo de execução, material empregado, nível de ruído, quantidade

de operários e principalmente o custo adicional, já que a execução de fundações

profundas não estava prevista no orçamento inicial da obra. A escolha pela execução

das estacas metálicas teve como base dois fatores primordiais. O primeiro foi a

facilidade na execução das mesmas, que não necessita de concreto na obra e não

necessita de corte e dobra de ferragem, tornando a obra mais rápida e limpa. O segundo

e principal fator foi a diferença de valores entre os dois métodos. A execução de estacas

metálicas apresentou um orçamento com custo de 46% inferior ao orçamento para

execução de estacas tipo Raiz.

4.2. Execução de estacas metálicas na obra em questão

4.2.1. Projeto

Após a assinatura do contrato com a empresa responsável pela execução das

estacas metálicas, a próxima etapa seria a elaboração do projeto já que as quantidades

de estacas e comprimento das mesmas seriam necessários para a compra dos trilhos

ferroviários.

A própria empresa elaborou o projeto de estaqueamento, que deve conter

principalmente as informações sobre: seções e quantidades de estacas por bloco,

inclinações das estacas, condições de “nega”, profundidades de cravação e

dimensionamento dos blocos de coroamento.

De posse do projeto de estaqueamento, foi possível orçar e adquirir os trilhos

ferroviários nas bitolas TR-45 (45kg/ml) e TR-68 (68 kg/ml), programar sua entrega, e

agendar o início da cravação com a empresa responsável.

4.2.2. Cravação

As estacas metálicas podem ser cravadas por prensagem, vibração, ou até

mesmo por percussão. Quando se tem um terreno resistente, pode ser feito um furo




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prévio para facilitar a entrada da estaca no solo, quando esse furo é profundo, pode ser

utilizada lama estabilizante.

Na obra, objeto do estudo de caso, a cravação foi feita pelo método da

percussão. Neste método, utilizam-se pilões de queda livre. Para o amortecimento dos

golpes do pilão e a uniformização das tensões, instala-se no topo da estaca um capacete

dotado de “cepo” e “coxim”.

Figura 5 – Equipamento de cravação dotado de pilão de queda livre

Para cravação dos trilhos metálicos, foi necessária a elaboração de um

cronograma logístico de obra, uma vez que, o equipamento de cravação é extremamente

pesado e deve-se evitar o seu deslocamento dentro do canteiro.

A cravação inicia-se com o correto posicionamento do trilho em pé e aprumado

sobre piquetes de madeira, que tem como finalidade a correta locação das estacas no

canteiro da obra conforme projeto de fundações. Essa locação é feita com a presença do

topógrafo e equipamento de estação total na obra.

Após definida a posição correta, inicia-se a cravação por percussão.




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O equipamento de cravação será dimensionado de forma que consiga levar a

estaca a encontrar uma resistência de ponta a sua penetração, oferecida pelo solo,

indicando a presença de camada suficientemente resistente para seu apoio, mas sem

acarretar danos ao trilho.

Alguns controles devem ser observados durante a cravação das estacas:

O comprimento real ou fuste (comprimento total menos arrasamento);

O tipo e comprimento do prolongamento;

As quantidades e os tipos das emendas;

O desvio da cravação ou desaprumo;

A “nega” da cravação e da recravação, na hipótese dessa ocorrência;

O deslocamento e levantamento das estacas vizinhas;

Eventuais anormalidades observadas durante a cravação.

4.2.3. Emendas de estacas

Concluída a cravação de um perfil, caso necessário, outro será emendado, para

que o serviço prossiga, até que seja encontrada a cota adequada de apoio.

Para a cravação de estacas com trilhos ferroviários, usualmente são adquiridos

elementos com oito metros de comprimento. Essa medida padrão é devido ao

equipamento de cravação, que tem capacidade de cravação de estacas até oito metros.

Em terrenos que possuem a camada rochosa abaixo de oito metros de profundidade, a

solução é a “emenda” dos trilhos, ou seja, a união entre dois trilhos através da solda de

uma “tala” entre eles.

Na obra em questão, de acordo com a sondagem executada, a camada rochosa a

ser atingida pelos trilhos ferroviários normalmente estava a profundidades acima de oito

metros, necessitando de emendas para a correta cravação e resistência da estaca.

As emendas dos trilhos são feitas através de talas. Os comprimentos do cordão

de solda e sua espessura devem ser tais que garantam, na seção soldada, a mesma

resistência do trilho.

As talas são previamente soldadas no elemento superior (quando o mesmo ainda

não foi içado). Após esse procedimento, esse elemento dotado das talas é içado e

posicionado sobre o trilho já cravado. A seguir encaixa-se o topo do perfil no capacete e

alinha-se o elemento superior com o inferior. Após essa operação apoia-se o pilão sobre

o capacete, verifica-se o alinhamento, ou o prumo, no caso de estacas verticais e

ajustam-se as talas, se necessário, com auxilio de martelo e marreta. Logo em seguida

realiza-se a solda.




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Figura 6 – Emenda típica de perfis trabalhando como estacas comprimidas




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Figura 7 – União de trilhos com talas na obra estudada

4.2.4. Reforços

Como vimos, no tópico anterior, diversas estacas necessitaram de uma “emenda”

para atingir a profundidade necessária, porém, devido a topografia extremamente

irregular da camada rochosa no terreno, em algumas estacas foi necessário adotar uma

solução contrária ao alongamento das estacas.

Em diversas estacas do terreno, a rocha basáltica estava a alturas mais elevadas,

fazendo com que a cravação das estavas não ultrapassasse quatro metros de

profundidade. De acordo com o calculista das estacas metálicas, quando a estaca não

atinge profundidades ideias de cravação é necessário a execução de “reforços”. Estes

reforços tem como objetivo complementar a resistência e garantir que o bloco de

coroamento não sofra nenhum recalque diferencial ou rompimento por esforços de

tombamento devido aos momentos fletores ou arrancamento (tração).

Estes “reforços” são calculados após a cravação da primeira estaca do bloco. O

operador repassa a informação ao calculista sobre a profundidade atingida, e o mesmo,

deve refazer o projeto de cravação, informando a quantidade e localização dos reforços

e detalhamento da nova armadura do bloco de coroamento.




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Na obra em questão, diversos blocos de estacas que inicialmente possuíam 4 ou

5 estacas, necessitaram de reforços, passando a um total de 8 ou 9 estacas, aumentando

o custo de cravação (mão-de-obra) e de material (novos trilhos ferroviários, concreto e

ferragem). No projeto inicial de estaqueamento era previsto a cravação de 58 estacas

metálicas, sendo 33 estacas duplas de trilho TR-45 e 25 estacas simples de tr-68. No

decorrer da cravação, devido a necessidade de reforços, terminou-se a obra com um

total de 74 estacas cravadas.

4.2.5. Controle de cravação (Nega)

No caso de estacas cravadas à percussão (Alonso, 1991), costuma-se fazer o

controle da capacidade de carga, durante a cravação, pela “nega”. A nega é uma medida

tradicional, embora, hoje em dia, outros procedimentos de controle da capacidade de

carga estejam, também, fazendo parte dos procedimentos rotineiros de obra. A “nega”

corresponde à penetração permanente da estaca, quando sobre a mesma se aplica um

golpe de pilão. Em geral é obtida como um décimo de penetração para os últimos dez

golpes.

Para a obra citada, a “nega” foi definida pelo calculista. Devido ao fato de o

terreno possuir uma camada de basalto sã a profundidades variáveis entre quatro e doze

metros, o calculista definiu como controle da capacidade de carga, uma “nega” de 0

mm, ou seja, após o término da cravação, o operador responsável deveria executar o

controle de carga através de uma sequencia de 20 golpes de pilão obtendo uma “nega”

de 0 mm. Se, após os 20 golpes de pilão, o deslocamento verificado fosse de 0 mm,

poderia então parar a cravação da estaca e partir para a cravação da próxima.

4.2.6. Ligação dos trilhos ferroviários ao bloco de coroamento

A ligação da estaca metálica ao bloco de coroamento deve ser feita de modo que

as cargas resistidas pelo bloco sejam transmitidas adequadamente e com a garantia de

continuidade às estacas.

A ligação mais eficiente e recomendada pela NBR 6122/1996, consiste em

embutir 20 cm da estaca no bloco de coroamento, acima da armadura principal do

bloco.

No caso específico estudado, com o uso de trilhos ferroviários para cravação, a

prática mais difundida para o preparo das “cabeças” é a solda de um pedaço (em torno

de 25 cm) de trilho TR-68 na ponta da estaca. Esta preparação tem como finalidade, a

melhor distribuição das cargas recebidas pela armadura do bloco de coroamento para as

estacas.

Na hipótese da existência de esforço de tração na estaca, será soldada, na sua

parte que penetra no bloco, uma armadura adequada para ancoragem do mesmo.

Abaixo a figura mostra a solda da “cabeça” na estaca já cravada.




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Figura 8 – Arrasamento e preparação das “cabeças” das estacas

4.2.7. Blocos de coroamento

Depois de cravadas as estacas necessárias, feitas as emendas necessárias, os

reforços previsto, o corte e preparação das “cabeças”, é necessária a confecção do bloco

de coroamento.

O bloco de coroamento tem como função a união das estacas cravadas, a fim de,

distribuir uniformemente as cargas recebidas do pilar, evitando recalques diferenciais

devido à carga proveniente dos pilares e tombamentos devidos aos momentos fletores.

Para a confecção dos blocos de coroamento, o projetista de fundações repassa a

empresa executante, uma planta com o detalhamento da ferragem a ser elaborada. Após

confeccionada a ferragem, a mesma é posicionada juntos as “cabeças” da estacas. Nesta

etapa do processo deve-se amarrar a “espera” do pilar que nascerá e posteriormente

procede-se a concretagem de todo o bloco.

A NBR 6122/1996 não estipula espaçamento entre estacas. Entretanto, no item

7.7.2. dessa Norma exige-se que a carga admissível de um grupo de estacas não seja

superior ao de uma sapata de mesmo contorno que o do grupo, e assente a uma

profundidade acima da ponta das estacas igual a 1/3 do comprimento de penetração na

camada suporte.




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Figura 9 – Montagem da armadura do bloco de coroamento

Figura 10 – Ferragem do bloco de coroamento concluída




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Figura 11 – Concretagem do bloco de coroamento

Figura 12 – Bloco de coroamento concretado

A concretagem do bloco de coroamento é a última etapa do processo de

estaqueamento metálico com o uso de trilhos ferroviários. Na obra estudada, foram

concretados no total 13 blocos de coroamento, que juntos, somaram 74 estacas

metálicas (duplas e simples) de trilhos TR-45 e trilhos TR-68.




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4.2.8. Corrosão

De acordo com Pannoni (2006), as estacas metálicas dispensam tratamento

anticorrosivo na grande maioria das situações encontradas; é um fato bem estabelecido

que a velocidade de corrosão de metais enterrados em solos secos é, de modo geral,

desconsiderada.

Entretanto, a favor da segurança, a NBR 6122 exige que nas estacas metálicas

enterradas seja descontada uma espessura de 1,5 mm de toda a superfície em contato

com o solo, resultando em uma área útil menor que a teórica do perfil.

5. Possíveis patologias em estacas metálicas

Nas estacas metálicas os problemas que podem ocorrer são:

- Problemas de soldagem entre elementos, como uso de eletrodo inapropriado, cordão

sem o comprimento necessário ou técnica de soldagem inadequada, provocando a

quebra na cravação ou problema de transmissão de cargas à estaca abaixo da solda.

- Emenda de estacas cravadas com problemas de dimensionamento, resultando

resistência insuficiente para cravação ou solicitações de projeto, especialmente tração

ou momento.

- Elementos muito esbeltos podem desviar da verticalidade durante a cravação,

resultando em comprimentos surpreendentes, muito maiores do que os previstos, em

algumas situações não atingindo a nega especificada.

- Elementos esbeltos em solos moles, que apresentam problemas de estabilidade e

flambam em casos especiais.

- Presença de obstruções e/ou excesso de energia de cravação, ou problemas de

excentricidade do choque do martelo na estaca, provocando danos estruturais no

elemento de fundação sendo executado. Tal situação pode induzir falsa nega, quebra

não constatada da estaca ou limitação inadequada de comprimento, casos em que a

carga transmitida pela estaca é inferior à de projeto.

6. Conclusão

Neste artigo, destaca-se a importância da utilização de estacas metálicas nos

processos de construção civil, em especial no estudo de uma obra especifica na cidade

de Garibaldi / RS.

As estacas metálicas do tipo trilhos ferroviários são uma boa solução, desde que

tenha-se espaço físico na obra, para movimentação e operação dos equipamentos.

A grande capacidade de carga dos trilhos ferroviários, aliado a rapidez de

execução e preço de mercado, acabam sendo umas das suas melhores características,

sendo utilizadas desde obras de pequeno porte até obras de extrema complexidade.

Neste estudo de caso, podemos afirmar que a execução de fundações profundas

com o uso de trilhos ferroviários provenientes de descarte é uma ótima solução para

obras residenciais de grande porte, podendo ser usado em larga escala e a nível

nacional.




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7. Referências

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: Projeto de

estruturas de concreto - Procedimento. Rio de Janeiro, 2007

ASSOCIAÇÃ BRASILEIRA DE ENGENHARIA DE FUNDAÇÕES. Manual de

especificações de produtos e procedimentos ABEF. São Paulo, 2006.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6122: Projeto e

execução de Fundações. Rio de Janeiro, 1996.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12131: Estacas –

Prova de carga estática – Método de ensaio. Rio de Janeiro, 2005.

GONÇALVES, S. “Estudo do comportamento à compreensão de estacas metálicas

curtas em solo sedimentar”. Dissertação de Mestrado, PPGEC/UFSM, Santa Maria,

2008.

DE LIMA, A. “Fundações em estacas metálicas para obras residenciais”. Dissertação de

graduação, Universidade Anhembi Morumbi, São Paulo, 2006.

GERDAU. Coletânea do uso de aço – estacas metálicas. 5ª edição. 2011.

RUSSI, D. “Estudo de comportamento de solos através de ensaios de placas de

diferentes diâmetros”. Dissertação de Mestrado, PPGEC/UFSM, Santa Maria, 2006.

LEONHARDT, Fritz. Construções de concreto, vol.5. Editora Interciência Ltda., Rio de

Janeiro, 1983.

VELLOSO, D. A.; LOPES, F. R. Fundações: Fundações Profundas. Rio de Janeiro:

COPPE/UFRJ, 2002. v. 2, 472p.

VELLOSO, D. A. Carga admissível e carga característica de fundações por estaca.

Solos e Rochas, v. 24, n. 2, p. 19-32, 2001.

PANNONI, F. D. Durabilidade de estacas metálicas cravadas no solo. Gerdau

Açominas. In: COBRANSEG, XIII, 2006, Curitiba.




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8. Anexos




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Figura 1 – Projeto com localização e quantidade de estacas




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Figura 2 – Tabela utilizada para dimensionamento das estacas com uso de trilhos

ferroviários




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Figura 3 – Detalhamento de bloco de coroamento




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Figura 4 – Método construtivo de cravação fornecido pela empresa contratada




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